Tesla cívka - Tesla coil

Tesla cívka

Tesla coil v Questaconu , národním vědeckotechnickém centru v Canbeře v Austrálii
Využití	Aplikace ve vzdělávacích ukázkách, osvětlení novinek , hudba
Vynálezce	Nikola Tesla
Související zboží	Transformátor , elektromagnetické pole , rezonance

Tesla coil je elektrický zvučný transformátor, obvod navržený vynálezce Nikola Tesla v roce 1891. To se používá k výrobě vysoce napětí , s nízkými proud , vysoká frekvence střídavého proudu elektrické energie. Tesla experimentoval s řadou různých konfigurací sestávajících ze dvou, nebo někdy tří, spojených rezonančních elektrických obvodů .

Tesla použil tyto obvody k provádění inovativních experimentů v oblasti elektrického osvětlení , fosforescence , generování rentgenových paprsků , jevů vysokofrekvenčního střídavého proudu , elektroléčby a přenosu elektrické energie bez drátů . Obvody Tesla cívky byly komerčně používány v rádiových vysílačích jiskry pro bezdrátovou telegrafii až do dvacátých let minulého století a v lékařských zařízeních, jako je elektroléčba a zařízení s fialovým paprskem . Dnes je jejich hlavní použití pro zábavní a vzdělávací displeje, ačkoli malé cívky se stále používají jako detektory úniku pro systémy s vysokým vakuem.

Původně Teslaovy cívky používaly pevné jiskřiště nebo rotační jiskřiště k zajištění přerušovaného buzení rezonančního obvodu; v poslední době se k zajištění požadované spínací činnosti používají elektronická zařízení. U polovodičových ovladačů lze použít Tesla cívku ke generování slyšitelných tónů a vytváření hudebních efektů. Zatímco střídavý proud produkovaný Teslaovou cívkou má vysokou frekvenci, účinek kůže neochrání člověka před hlubokými popáleninami tkáně, pokud je v kontaktu s vysokonapěťovým obvodem.

Úkon

Domácí Tesla cívka v provozu, ukazující kartáčové výboje z toroidu. Vysoké elektrické pole způsobuje, že vzduch kolem vysokonapěťového terminálu ionizuje a vede elektřinu, což umožňuje únik elektřiny do vzduchu v barevných korónových výbojích , kartáčových výbojích a proudových obloucích . Cívky Tesla se používají pro zábavu ve vědeckých muzeích a na veřejných akcích a pro speciální efekty ve filmech a televizi

Cívka Tesla je vysokofrekvenční oscilátor, který pohání vzduchem vyladěný rezonanční transformátor pro vytváření vysokého napětí při nízkých proudech. Původní obvody Tesly i většina moderních cívek využívají k vybuzení oscilací v laděném transformátoru jednoduchou jiskřiště . Sofistikovanější designy používají tranzistor nebo tyristorové spínače nebo vakuové trubice elektronických oscilátorů řídit rezonanční transformátor.

Cívky Tesla mohou produkovat výstupní napětí od 50  kilovoltů do několika milionů voltů pro velké cívky. Výstup střídavého proudu je v oblasti nízkých rádiových frekvencí , obvykle mezi 50 kHz a 1 MHz. Ačkoli některé cívky poháněné oscilátorem generují spojitý střídavý proud , většina Tesla cívek má pulzní výstup; vysoké napětí se skládá z rychlého řetězce pulzů vysokofrekvenčního střídavého proudu.

Společný zážehový obvod Tesla cívky, zobrazený níže, se skládá z těchto komponent:

• Vysokonapěťový napájecí transformátor (T) ke zvýšení síťového napětí na dostatečně vysoké napětí, které přeskočí jiskřiště. Typické napětí je mezi 5 a 30 kilovolty (kV).
• Kondenzátoru (C1) , které tvoří rezonanční obvod s primárního vinutí L1 transformátoru Tesla
• Jiskřiště (SG) , která působí jako spínač v primárním okruhu
• Tesla cívka (L1, L2) , vzduchem vyladěný rezonanční transformátor , který generuje vysoké výstupní napětí.
• Volitelně kapacitní elektroda (horní zátěž) (E) ve formě hladké kovové koule nebo torusu připojená k sekundární svorce cívky. Jeho velká plocha potlačuje předčasné poruchy vzduchu a obloukové výboje, čímž zvyšuje faktor Q a výstupní napětí.

Rezonanční transformátor

Unipolární obvod Teslovy cívky. C2 není skutečný kondenzátor, ale představuje parazitní kapacitu sekundárních vinutí L2 plus kapacitu vůči zemi toroidní elektrody E

Podrobnější ekvivalentní obvod sekundárního ukazující příspěvky různých rozptylových kapacit

Specializovaný transformátor používaný v obvodu Tesla s cívkou, nazývaný rezonanční transformátor , oscilační transformátor nebo radiofrekvenční (RF) transformátor, funguje odlišně od běžného transformátoru používaného v napájecích obvodech střídavého proudu. Zatímco obyčejný transformátor je určen k efektivnímu přenosu energie z primárního na sekundární vinutí, rezonanční transformátor je také navržen tak, aby dočasně ukládal elektrickou energii. Každé vinutí má na sobě kapacitu a funguje jako LC obvod (rezonanční obvod, laděný obvod ), ukládající oscilující elektrickou energii, analogicky ke způsobu, jakým ladicí vidlice ukládá vibrační mechanickou energii. Primární cívka (L1), skládající se z relativně malého počtu otáček těžkého měděného drátu nebo trubky, je připojen ke kondenzátoru (C1) přes jiskřiště (SG) . Sekundární vinutí (L2) se skládá z počtu závitů (stovky až tisíce) jemného drátu na dutém válcovém tvaru uvnitř primární. Sekundární není připojen ke skutečnému kondenzátoru, ale funguje také jako obvod LC, indukčnost (L2) rezonuje s rozptylovou kapacitou (C2) , součet zbloudilé parazitní kapacity mezi vinutími cívky a kapacitou z toroidního kovové elektrody připojené k vysoké svorku napětí. Primární a sekundární obvody jsou naladěny tak, aby rezonovaly na stejné frekvenci, mají stejnou rezonanční frekvenci . To jim umožňuje výměnu energie, takže oscilační proud se střídá tam a zpět mezi primární a sekundární cívkou. Ve fyzice jsou tyto dva spojené obvody nádrže známé také jako spojené oscilátory.

Zvláštní konstrukce cívky je dána potřebou dosáhnout nízkých odporových ztrát energie ( vysoký faktor Q ) při vysokých frekvencích, což má za následek největší sekundární napětí:

• Běžné výkonové transformátory mají železné jádro pro zvýšení magnetické vazby mezi cívkami. Železné jádro však při vysokých frekvencích způsobuje ztráty energie v důsledku vířivých proudů a hystereze , takže se v Tesla cívce nepoužívá.
• Běžné transformátory jsou navrženy tak, aby byly „pevně spojeny“. Díky železnému jádru a těsné blízkosti vinutí mají vysokou vzájemnou indukčnost (M) , vazebný koeficient se blíží jednotě 0,95 - 1,0, což znamená, že téměř celé magnetické pole primárního vinutí prochází sekundárním. Naproti tomu Tesla transformátor je „volně spojen“, primární vinutí má větší průměr a je od sebe odděleno od sekundárního, takže vzájemná indukčnost je nižší a koeficient vazby je pouze 0,05 až 0,2. To znamená, že sekundárním prochází pouze 5% až 20% magnetického pole primární cívky, když je otevřená. Volná vazba zpomaluje výměnu energie mezi primární a sekundární cívkou, což umožňuje oscilační energii zůstat v sekundárním okruhu déle, než se vrátí do primárního a začne se rozptylovat v jiskře.
• Každé vinutí je také omezeno na jednu vrstvu drátu, což snižuje ztráty vlivem blízkosti . Primární nese velmi vysoké proudy. Vzhledem k tomu, že vysokofrekvenční proud většinou proudí po povrchu vodičů v důsledku efektu kůže , je často vyroben z měděných trubek nebo pásků s velkým povrchem, aby se snížil odpor, a jeho závity jsou od sebe vzdáleny, což snižuje ztráty vlivem blízkosti a oblouk mezi závity .

Unipolární design cívek široce používaný v moderních cívkách. Primární je ploché červené spirálové vinutí ve spodní části, sekundární je svislá válcová cívka navinutá jemným červeným drátem. Terminál vysokého napětí je hliníkový torus v horní části sekundární cívky

Bipolární cívka, používaná na počátku 20. století. Existují dva vysokonapěťové výstupní terminály, každý připojený k jednomu konci sekundárního obvodu, mezi nimiž je jiskřiště. Primární je 12 závitů těžkého drátu, který je umístěn ve středu sekundárního, aby odradil oblouky mezi cívkami

Výstupní obvod může mít dvě formy:

• Unipolární : Jeden konec sekundárního vinutí je připojen k jedné vysokonapěťové svorce, druhý konec je uzemněn . Tento typ se používá v moderních cívkách určených pro zábavu. Primární vinutí je umístěno blízko spodní části s nízkým potenciálem sekundárního vinutí, aby se minimalizovaly oblouky mezi vinutími. Protože země (Země) slouží jako zpětná cesta pro vysoké napětí, oblouky streameru z terminálu mají tendenci přeskakovat na jakýkoli blízký uzemněný objekt.
• Bipolární : Žádný konec sekundárního vinutí není uzemněn a oba jsou vyvedeny na svorky vysokého napětí. Primární vinutí je umístěno ve středu sekundární cívky, v stejné vzdálenosti mezi dvěma terminály s vysokým potenciálem, aby se zabránilo oblouku.

Provozní cyklus

Obvod pracuje v rychlém, opakujícím se cyklu, ve kterém napájecí transformátor (T) nabije primární kondenzátor (C1) nahoru, který se poté vybije v jiskře přes jiskřiště a vytvoří krátký puls oscilačního proudu v primárním obvodu, který budí vysoké oscilační napětí přes sekundární:

1. Proud z napájecího transformátoru (T) nabíjí kondenzátor (C1) na vysoké napětí.
2. Když napětí na kondenzátoru dosáhne průrazného napětí jiskřiště (SG), spustí se jiskra, čímž se sníží odpor jiskřiště na velmi nízkou hodnotu. Tím je primární obvod dokončen a proud z kondenzátoru protéká primární cívkou (L1) . Proud teče rychle tam a zpět mezi deskami kondenzátoru skrz cívku a generuje vysokofrekvenční oscilační proud v primárním obvodu na rezonanční frekvenci obvodu .
3. Oscilační magnetické pole primárního vinutí indukuje oscilační proud v sekundárním vinutí (L2) , podle Faradayova indukčního zákona . V průběhu několika cyklů se energie v primárním okruhu přenáší do sekundárního. Celková energie v laděných obvodech je omezena na energii původně uloženou v kondenzátoru C1 , takže jak oscilační napětí v sekundárním roste v amplitudě („ring up“), oscilace v primárním klesají na nulu. I když jsou konce sekundárního vinutí jsou otevřené, působí také jako laděného obvodu, v důsledku kapacitní (C2) , je součet parazitní kapacitou mezi závity cívky plus kapacitní toroidního elektrody E . Proud proudí rychle tam a zpět sekundární cívkou mezi jejími konci. Kvůli malé kapacitě je oscilační napětí na sekundární cívce, které se objevuje na výstupní svorce, mnohem větší než primární napětí.
4. Sekundární proud vytváří magnetické pole, které indukuje napětí zpět v primární cívce, a v průběhu několika dalších cyklů je energie přenášena zpět do primárního obvodu, což způsobuje, že oscilační napětí v sekundárním obvodu klesá („ring down“). Tento proces se opakuje, energie se rychle přesouvá tam a zpět mezi primárním a sekundárním laděným obvodem. Oscilační proudy v primárním a sekundárním postupně odumírají díky energii rozptýlené jako teplo v jiskřišti a odporu cívky.
5. Když proud jiskřiště již nestačí k udržení ionizovaného vzduchu v mezerě, jiskra se zastaví („zhasne“) a ukončí proud v primárním okruhu. Oscilační proud v sekundárním může ještě nějakou dobu pokračovat.
6. Proud z napájecího transformátoru začne znovu nabíjet kondenzátor C1 a cyklus se opakuje.

Celý tento cyklus probíhá velmi rychle, oscilace vymírají v řádu řádů milisekund. Každá jiskra přes jiskřiště produkuje puls tlumeného sinusového vysokého napětí na výstupní svorce cívky. Každý puls vymře, než dojde k další jiskře, takže cívka generuje řetězec tlumených vln , nikoli spojité sinusové napětí. Vysoké napětí ze napájecího transformátoru, který nabíjí kondenzátor, je 50 nebo 60 Hz sinusová vlna . V závislosti na tom, jak je nastavena jiskřiště, se obvykle vyskytuje jedna nebo dvě jiskry na vrcholu každého půl cyklu síťového proudu, takže jisker je více než sto za sekundu. Jiskra na jiskřišti se tedy zdá spojitá, stejně jako streamery vysokého napětí z horní části cívky.

Sekundární vinutí napájecího transformátoru (T) je připojeno přes primární laděný obvod. Mohlo by se zdát, že transformátor bude únikovou cestou pro vysokofrekvenční proud, tlumící kmity. Jeho velká indukčnost mu však dává velmi vysokou impedanci na rezonanční frekvenci, takže působí jako otevřený obvod oscilačního proudu. Pokud má napájecí transformátor neadekvátní svodovou indukčnost , jsou do jeho sekundárních vodičů umístěny vysokofrekvenční tlumivky k blokování vysokofrekvenčního proudu.

Frekvence oscilací

Pro vytvoření největšího výstupního napětí jsou primární a sekundární laděné obvody navzájem upraveny tak, aby rezonovaly . Tyto rezonanční frekvence z primárního a sekundárního okruhu, a , jsou určeny indukčnosti a kapacity v každém okruhu: ${\ displaystyle \ scriptstyle f_ {1}}$${\ displaystyle \ scriptstyle f_ {2}}$

${\ Displaystyle f_ {1} = {1 \ over {2 \ pi {\ sqrt {L_ {1} C_ {1}}}}} \ qquad \ qquad f_ {2} = {1 \ over {2 \ pi { \ sqrt {L_ {2} C_ {2}}}}} \,}$

Sekundární není obecně nastavitelný, takže primární obvod je laděn, obvykle pohyblivým klepnutím na primární cívku L ₁ , dokud rezonuje na stejné frekvenci jako sekundární:

${\ displaystyle f = {1 \ over {2 \ pi {\ sqrt {L_ {1} C_ {1}}}}} = {1 \ over {2 \ pi {\ sqrt {L_ {2} C_ {2} }}}} \,}$

Podmínkou rezonance mezi primární a sekundární je tedy:

${\ displaystyle L_ {1} C_ {1} = L_ {2} C_ {2} \,}$

Rezonanční frekvence Tesla cívek je v oblasti nízkých rádiových frekvencí (RF), obvykle mezi 50 kHz a 1 MHz. Vzhledem k impulzivní povaze jiskry však produkují širokopásmový rádiový šum a bez stínění může být významným zdrojem RFI , který ruší blízký rozhlasový a televizní příjem.

Výstupní napětí

Velká cívka produkující 3,5 metru (10 stop) streamerové oblouky, což naznačuje potenciál milionů voltů

V rezonančním transformátoru je vysoké napětí produkováno rezonancí; výstupní napětí není úměrné poměru otáček, jako u běžného transformátoru. Lze to přibližně vypočítat z zachování energie . Na začátku cyklu, kdy začne jiskra, je veškerá energie v primárním okruhu uložena v primárním kondenzátoru . Pokud je napětí, při kterém se rozpadne jiskřiště, které se obvykle blíží špičkovému výstupnímu napětí napájecího transformátoru T , je tato energie ${\ displaystyle W_ {1}}$${\ displaystyle C_ {1}}$${\ displaystyle V_ {1}}$

${\ displaystyle W_ {1} = {1 \ přes 2} C_ {1} V_ {1}^{2} \,}$

Během „zazvonění“ se tato energie přenáší do sekundárního okruhu. Ačkoli některé jsou ztraceny jako teplo v jiskře a jiných odporech, v moderních cívkách přes 85% energie končí v sekundárním. Na vrcholu ( ) sekundárního sinusového průběhu napětí je veškerá energie v sekundárním uložena v kapacitě mezi konci sekundární cívky ${\ displaystyle V_ {2}}$${\ displaystyle W_ {2}}$${\ displaystyle C_ {2}}$

${\ displaystyle W_ {2} = {1 \ přes 2} C_ {2} V_ {2}^{2} \,}$

Za předpokladu žádné energetické ztráty . Dosazením do této rovnice a zjednodušením je špičkové sekundární napětí ${\ displaystyle W_ {2} \; = \; W_ {1}}$

Druhý vzorec výše je odvozen od prvního pomocí rezonanční podmínky . Protože kapacita sekundární cívky je ve srovnání s primárním kondenzátorem velmi malá, primární napětí se zvýší na vysokou hodnotu. ${\ Displaystyle L_ {1} C_ {1} \; = \; L_ {2} C_ {2}}$

Výše uvedeného špičkového napětí je dosaženo pouze u cívek, ve kterých nedochází k výbojům vzduchu; v cívkách, které produkují jiskry, jako jsou zábavní cívky, je špičkové napětí na terminálu omezeno na napětí, při kterém se vzduch rozpadá a stává se vodivým. Jak se výstupní napětí zvyšuje během každého napěťového impulsu, dosáhne bodu, kde se vzduch vedle terminálu vysokého napětí ionizuje a korona , výboje kartáče a oblouky streameru se vylomí z terminálu. K tomu dochází, když síla elektrického pole překročí dielektrickou pevnost vzduchu, asi 30 kV na centimetr. Protože elektrické pole je největší v ostrých bodech a hranách, vzduchové výboje začínají v těchto bodech na vysokonapěťovém terminálu. Napětí na vysokonapěťovém terminálu se nemůže zvýšit nad napětí při poruše vzduchu, protože další elektrický náboj čerpaný do terminálu ze sekundárního vinutí právě uniká do vzduchu. Výstupní napětí cívek Tesla pod širým nebem je omezeno na několik milionů voltů rozbitím vzduchu, ale vyššího napětí lze dosáhnout cívkami ponořenými do tlakových nádrží izolačního oleje .

Horní zátěž nebo „toroidní“ elektroda

Polovodičová cívka DRSSTC Tesla se špičatým drátem připevněným k toroidu za vzniku kartáčového výboje

Většina návrhů cívek Tesla má hladkou sférickou nebo toroidní kovovou elektrodu na vysokonapěťovém terminálu. Elektroda slouží jako jedna deska kondenzátoru , přičemž Země jako druhá deska tvoří laděný obvod se sekundárním vinutím. Ačkoli „toroid“ zvyšuje sekundární kapacitu, která má tendenci snižovat špičkové napětí, jeho hlavním efektem je, že jeho zakřivený povrch s velkým průměrem snižuje gradient potenciálu ( elektrické pole ) na vysokonapěťové svorce; funguje podobně jako korónový prstenec a zvyšuje prahovou hodnotu napětí, při které dochází k vzduchovým výbojům, jako jsou korónové a kartáčové výboje. Potlačení předčasného rozpadu vzduchu a ztráty energie umožňuje, aby se napětí na špičkách průběhu vlny zvýšilo na vyšší hodnoty, čímž se vytvoří delší a velkolepější streamery, když konečně dojde k výbojům vzduchu.

Pokud je horní elektroda dostatečně velká a hladká, elektrické pole na jejím povrchu se nikdy nemusí dostat dostatečně vysoko ani při špičkovém napětí, které by způsobilo poruchu vzduchu, a nedochází k výbojům vzduchu. Některé zábavní cívky mají ostrý „bod jiskry“ vyčnívající z torusu, aby zahájily výboje.

Typy

Termín "Tesla cívka" je aplikován na řadu vysokonapěťových rezonančních transformátorových obvodů.

Vzrušení

Obvody Tesla cívek lze klasifikovat podle typu "buzení", který používají, jaký typ obvodu se používá k aplikaci proudu na primární vinutí rezonančního transformátoru:

• Spark-excited or Spark Gap Tesla Coil (SGTC) : Tento typ používá jiskřiště k uzavření primárního obvodu, vzrušující kmity v rezonančním transformátoru. Mezery jisker mají nevýhody kvůli vysokým primárním proudům, které musí zvládat. Při provozu produkují velmi hlasitý hluk, škodlivý ozonový plyn a vysoké teploty, které mohou vyžadovat chladicí systém. Energie rozptýlená v jiskře také snižuje faktor Q a výstupní napětí. Teslovy cívky byly všechny nadšené.
  • Statická jiskřiště : Jedná se o nejběžnější typ, který byl podrobně popsán v předchozí části. Používá se ve většině zábavních cívek. Střídavé napětí z vysokonapěťového napájecího transformátoru nabíjí kondenzátor, který se vybíjí přes jiskřiště. Rychlost jiskření není nastavitelná, ale je určena linkovou frekvencí 50 nebo 60 Hz. V každém půl cyklu se může vyskytnout více jisker, takže impulsy výstupního napětí nemusí být rovnoměrně rozmístěny.
  • Statické spouštěcí jiskřiště : Komerční a průmyslové obvody často používají stejnosměrné napětí z napájecího zdroje k nabíjení kondenzátoru a ke spouštění jiskry používají vysokonapěťové impulsy generované oscilátorem aplikovaným na spouštěcí elektrodu. To umožňuje ovládat rychlost jiskření a vzrušující napětí. Komerční jiskřiště jsou často uzavřeny v izolační plynné atmosféře, jako je hexafluorid síry , čímž se zkracuje délka a tím i energetické ztráty jiskry.
  • Rotační jiskřiště : Používají jiskřiště skládající se z elektrod kolem obvodu kola otáčeného vysokou rychlostí motorem, které vytvářejí jiskry při průchodu stacionární elektrodou. Tesla použil tento typ na svých velkých cívkách a dnes se používají na velkých zábavních cívkách. Rychlá separační rychlost elektrod rychle uhasí jiskru, což umožní uhasit „první zářez“, což umožní vyšší napětí. Kolo je obvykle poháněno synchronním motorem , takže jiskry jsou synchronizovány s frekvencí střídavého vedení, jiskra se vyskytuje ve stejném bodě křivky střídavého proudu v každém cyklu, takže primární impulsy jsou opakovatelné.

Jednoduchý jeden rezonanční polovodičový obvod Tesla s cívkou, ve kterém zemnící konec sekundárního dodává proudovou fázi zpětné vazby do tranzistorového oscilátoru.

• Spínaná nebo polovodičová Tesla cívka (SSTC) : Používají výkonová polovodičová zařízení , obvykle tyristory nebo tranzistory, jako jsou MOSFETy nebo IGBT , spouštěná polovodičovým oscilátorovým obvodem pro přepínání impulsů napětí ze stejnosměrného napájecího zdroje přes primární vinutí. Poskytují pulzní buzení bez nevýhod jiskřiště: hlasitý hluk, vysoké teploty a špatná účinnost. Napěťový, frekvenční a budicí průběh lze jemně ovládat. SSTC se používají ve většině komerčních, průmyslových a výzkumných aplikací a také ve vysoce kvalitních zábavních cívkách.
  • Single rezonanční polovodičová Tesla cívka (SRSSTC) : V tomto obvodu primární nemá rezonanční kondenzátor, a proto není laděný obvod; pouze sekundární je. Impulsy proudu k primárnímu ze spínacích tranzistorů budí rezonanci v sekundárně laděném obvodu. Jednosladěné SSTC jsou jednodušší, ale obvykle má rezonanční obvod nižší faktor Q a nemůže produkovat tak vysoké napětí z daného vstupního výkonu jako DRSSTC.
  • Duální rezonanční polovodičová Tesla cívka (DRSSTC) : Obvod je podobný dvojitě naladěnému jiskrově buzenému obvodu, kromě místa transformátoru střídavého napájení ( T ) v primárním obvodu stejnosměrné napájení nabíjí kondenzátor a místo polovodičové spínače jiskřiště doplňují obvod mezi kondenzátorem a primární cívkou.
  • Zpívající Tesla cívka nebo hudební Tesla cívka : Nejedná se o samostatný typ buzení, ale o úpravu primárního obvodu v pevném stavu za účelem vytvoření Teslovy cívky, kterou lze hrát jako na hudební nástroj, přičemž výboje vysokého napětí reprodukují jednoduché hudební tóny. Impulzy budicího napětí aplikované na primární jsou modulovány rychlostí zvuku polovodičovým obvodem „přerušovače“, což způsobí, že obloukový výboj z terminálu vysokého napětí vydává zvuky. Dosud byly produkovány pouze tóny a jednoduché akordy; cívka nemůže fungovat jako reproduktor , který reprodukuje složitou hudbu nebo hlasové zvuky. Zvukový výstup je řízen klávesnicí nebo souborem MIDI aplikovaným na obvod prostřednictvímrozhraní MIDI . Bylypoužitydvě modulační techniky: AM ( amplitudová modulace budicího napětí) a PFM ( pulzně frekvenční modulace ). Ty jsou postaveny hlavně jako novinky pro zábavu.
• Souvislá vlna : V těchto je transformátor poháněn zpětnovazebním oscilátorem , který aplikuje proudový puls na primární vinutí každého cyklu vysokofrekvenčního proudu, čímž budí souvislou oscilaci. Primární laděný obvod slouží jako obvod tanku oscilátoru a obvod připomíná rádiový vysílač . Na rozdíl od předchozích obvodů, které generují pulzní výstup, generují souvislý sinusový výstup. Výkonové vakuové trubice se často používají jako aktivní zařízení místo tranzistorů, protože jsou robustnější a odolnější vůči přetížení. Obecně platí, že kontinuální buzení produkuje nižší výstupní napětí z daného vstupního výkonu než pulzní buzení.

Počet cívek

Obvody Tesla lze také klasifikovat podle toho, kolik rezonančních cívek ( induktorů ) obsahují:

• Dva cívky nebo dvojitě rezonanční obvody: Prakticky všechny přítomné Tesla cívky používají dva cívkové rezonanční transformátory , skládající se z primárního vinutí, na které jsou aplikovány proudové impulsy, a sekundárního vinutí, které vytváří vysoké napětí, vynalezené Teslou v roce 1891. Termín "Tesla cívka" obvykle odkazuje na tyto obvody.
• Tři coil , triple-rezonanční , nebo lupa okruhy: Jsou to obvody s třemi cívkami, založený na okruhu „zvětšovací vysílač“ Tesla, který začal experimentovat s někdy před 1898 a instalované ve svém Colorado Springs laboratoři 1899-1900, a patentované v roce 1902. Skládají se ze zesilovače se dvěma cívkami se vzduchovým jádrem podobným transformátoru Tesla, přičemž sekundární je připojen ke třetí cívce, která není magneticky spojena s ostatními, nazývaná cívka „extra“ nebo „rezonátor“, která je napájena sériově a rezonuje svou vlastní kapacitou. Výstup je odebírán z volného konce této cívky. Přítomnost tří obvodů nádrže pro ukládání energie dává tomuto okruhu komplikovanější rezonanční chování. Je předmětem výzkumu, ale byl použit v několika praktických aplikacích.

Dějiny

Jiskrou buzený rezonanční transformátor Henryho Rowlanda z roku 1889, předchůdce Tesla cívky.

Kroky ve vývoji Teslova transformátoru Tesla kolem roku 1891. (1) Transformátory s uzavřeným jádrem používané při nízkých frekvencích, (2–7) přeskupující vinutí pro nižší ztráty, (8) odstraněné železné jádro, (9) částečné jádro, (10–) 11) konečný kuželovitý Tesla transformátor, (12–13) Tesla cívkové obvody a Elihu Thomson

Před Teslou byly prozkoumány elektrické oscilace a rezonanční obvody transformátoru vzduch-jádro. Rezonanční obvody pomocí sklenic Leyden byly vynalezeny počátkem roku 1826 Felixem Savarym , Josephem Henrym , Williamem Thomsonem a Oliverem Lodgeem . a Henry Rowland postavili rezonanční transformátor v roce 1889. Elihu Thomson vynalezl Teslaův cívkový obvod nezávisle ve stejné době, kdy to udělal Tesla. Tesla si nechal patentovat svůj obvod Tesla cívky 25. dubna 1891 a poprvé jej veřejně předvedl 20. května 1891 ve své přednášce „ Experimenty s alternativními proudy velmi vysoké frekvence a jejich aplikace na metody umělého osvětlení “ před Americkým institutem elektrotechniků v Kolumbii College , New York. Ačkoli Tesla v tomto období patentoval mnoho podobných obvodů, toto byl první, který obsahoval všechny prvky Teslovy cívky: vysokonapěťový primární transformátor, kondenzátor, jiskřiště a „oscilační transformátor“ vzduchového jádra.

Moderní Tesla cívky

Elektrický výboj zobrazující blesk -jako plazmové vláken z ‚Tesla coil‘

Tesla cívka (výboj)

Tesla cívka v teráriu (I)

Moderní nadšenci vysokého napětí obvykle staví Tesla cívky podobné některým Teslaovým „pozdějším“ 2-cívkovým návrhům vzduchového jádra. Ty se obvykle skládají z obvodu primární nádrže, obvodu LC ( indukčnost - kapacita ) složeného z vysokonapěťového kondenzátoru , jiskřiště a primární cívky a sekundárního obvodu LC, série rezonančního obvodu sestávajícího ze sekundární cívky a koncová kapacita nebo „top load“. V pokročilejším (zvětšovacím) designu Tesly je přidána třetí cívka. Sekundární LC obvod se skládá z těsně spojené sekundární cívky vzduchového jádra transformátoru pohánějící dno samostatného šroubového rezonátoru s třetí cívkou. Moderní 2-cívkové systémy používají jedinou sekundární cívku. Horní část sekundárního obvodu je pak připojena k toploadovému terminálu, který tvoří jednu „desku“ kondenzátoru , přičemž druhou „deskou“ je země (nebo „ uzemnění “). Primární LC obvod je naladěn tak, aby rezonoval na stejné frekvenci jako sekundární LC obvod. Primární a sekundární cívky jsou magneticky spojeny, což vytváří duálně laděný rezonanční vzduchový jádrový transformátor. Dříve Tesla-izolované cívky vyžadovaly velké a dlouhé izolátory na jejich vysokonapěťových svorkách, aby se zabránilo výboji ve vzduchu. Později Teslovy cívky šíří svá elektrická pole na větší vzdálenosti, aby na prvním místě zabránily vysokému elektrickému napětí, a tím umožnily provoz ve volném vzduchu. Většina moderních Tesla cívek také používá výstupní terminály ve tvaru toroidů. Ty jsou často vyrobeny ze spřádaného kovu nebo flexibilního hliníkového potrubí. Toroidní tvar pomáhá kontrolovat vysoké elektrické pole v horní části sekundárního proudu tím, že jiskry směřuje ven a pryč od primárního a sekundárního vinutí.

Složitější verze Teslovy cívky, od Tesly označovaná jako „lupa“, používá těsněji spojený transformátor „driveru“ vzduchového jádra s rezonancí (neboli „hlavní oscilátor“) a menší vzdáleně umístěnou výstupní cívku (nazývanou „extra“ cívka “nebo jednoduše rezonátor ), který má velký počet závitů na relativně malé formě cívky. Spodní část sekundárního vinutí řidiče je spojena se zemí. Opačný konec je připojen ke spodní části přídavné cívky izolovaným vodičem, kterému se někdy říká přenosové vedení. Protože přenosové vedení pracuje při relativně vysokém vysokofrekvenčním napětí, je obvykle vyrobeno z kovové trubky o průměru 1 ", aby se snížily ztráty korony. Jelikož je třetí cívka umístěna v určité vzdálenosti od budiče, není s ní magneticky spojena. RF energie je místo toho přímo spojený z výstupu budiče do spodní části třetí cívky, což způsobí „zazvonění“ na velmi vysoká napětí. Kombinace dvoucívkového budiče a rezonátoru třetí cívky dodává systému další stupeň volnosti, díky čemuž je ladění podstatně složitější než u systému se 2 cívkami. Přechodná odezva u více rezonančních sítí (jejichž podskupinou je Tesla lupa) byla vyřešena teprve nedávno. Nyní je známo, že různé užitečné ladění " režimy “jsou k dispozici a ve většině provozních režimů bude přídavná cívka vyzvánět na jiné frekvenci než hlavní oscilátor.

Primární přepínání

Přehrávejte média

Ukázka prototypu dvojité Tesla Coil Nevada Lightning Laboratory v měřítku 1:12 na Maker Faire 2008

Moderní tranzistory nebo vakuové trubice Tesla cívky nepoužívají primární jiskřiště. Místo toho tranzistor (y) nebo vakuová trubice (y) poskytují spínací nebo zesilovací funkci nezbytnou pro generování vysokofrekvenčního výkonu pro primární obvod. Polovodičové cívky Tesla používají nejnižší primární provozní napětí, obvykle mezi 155 a 800 volty, a pohánějí primární vinutí pomocí jednoduchého, polovičního nebo plného můstku uspořádání bipolárních tranzistorů , MOSFETů nebo IGBT pro přepínání primárního proudu . Vakuové trubicové cívky obvykle pracují s deskovým napětím mezi 1500 a 6000 volty, zatímco většina cívek s jiskřištěm pracuje s primárním napětím 6 000 až 25 000 voltů. Primární vinutí tradiční tranzistorové Tesla cívky je navinuto pouze kolem spodní části sekundární cívky. Tato konfigurace ilustruje provoz sekundárního jako čerpaného rezonátoru. Primární „indukuje“ střídavé napětí do nejspodnější části sekundární části a zajišťuje pravidelné „tlačení“ (podobné jako poskytování správně načasovaných tlaků na houpačku na hřišti). Další energie je přenášena z primární na sekundární indukčnost a kapacitní odpor při horním zatížení během každého „tlačení“ a vytváří se sekundární výstupní napětí (nazývané „vyzvánění“). Elektronický zpětnovazební obvod se obvykle používá k adaptivní synchronizaci primárního oscilátoru s rostoucí rezonancí v sekundárním, a to je jediná úvaha o ladění nad rámec počáteční volby rozumného špičkového zatížení.

V duální rezonanční polovodičové Tesla cívce (DRSSTC) je elektronické přepínání polovodičové Tesla cívky kombinováno s rezonančním primárním obvodem Tesla cívky s jiskřištěm. Rezonanční primární obvod je tvořen zapojením kondenzátoru do série s primárním vinutím cívky, takže kombinace tvoří obvod sériové nádrže s rezonanční frekvencí blízkou frekvenci sekundárního obvodu. Kvůli dodatečnému rezonančnímu obvodu je nutná jedna ruční a jedna adaptivní úprava ladění. Rovněž se obvykle používá přerušovač ke snížení pracovního cyklu spínacího můstku, aby se zlepšily možnosti špičkového výkonu; podobně jsou IGBT v této aplikaci populárnější než bipolární tranzistory nebo MOSFETy, a to díky svým vynikajícím charakteristikám výkonu. Obvod omezující proud se obvykle používá k omezení maximálního proudu primární nádrže (který musí být přepnut IGBT) na bezpečnou úroveň. Výkon DRSSTC může být srovnatelný se Tesla cívkou se středním výkonem jiskřiště a účinnost (měřeno délkou jiskry versus vstupní výkon) může být výrazně větší než Tesla cívka s jiskřištěm pracující se stejným vstupním výkonem.

Praktické aspekty designu

Výroba vysokého napětí

Schémata Tesla cívky

Typická konfigurace obvodu. Zde jiskřiště zkracuje vysokou frekvenci přes první transformátor, který je napájen střídavým proudem. Transformátor chrání indukčnost, která není znázorněna. Tento design je upřednostňován, když je použit relativně křehký transformátor neonových značek

Alternativní konfigurace obvodu. S kondenzátorem paralelně k prvnímu transformátoru a jiskřiště v sérii k primární cívce Tesla musí transformátor střídavého proudu odolat vysokému napětí při vysokých frekvencích

Velká Tesla cívka modernějšího designu často pracuje na velmi vysokých špičkových úrovních výkonu, až do mnoha megawattů (miliony wattů , což odpovídá stovkám tisíc koní ). Je proto seřízen a provozován pečlivě, a to nejen z důvodu účinnosti a hospodárnosti, ale také z hlediska bezpečnosti. Pokud v důsledku nesprávného naladění dojde k bodu maximálního napětí pod svorkou, podél sekundární cívky, může dojít k vybití ( jiskře ) a poškození nebo zničení drátu cívky, podpěr nebo blízkých předmětů.

Tesla experimentoval s těmito a mnoha dalšími konfiguracemi obvodů (viz vpravo). Primární vinutí cívky Tesla, jiskřiště a kondenzátor nádrže jsou zapojeny do série. V každém obvodu střídavý napájecí transformátor nabíjí kondenzátor nádrže, dokud jeho napětí není dostatečné k rozbití jiskřiště. Mezera náhle vystřelí, což umožní nabitému kondenzátoru nádrže vybít do primárního vinutí. Jakmile se mezera rozhoří, elektrické chování obou obvodů je totožné. Experimenty ukázaly, že ani jeden obvod nenabízí oproti druhému žádnou výraznou výkonnostní výhodu.

V typickém obvodu však zkratovací činnost jiskřiště brání vysokému frekvenčnímu oscilaci v zálohování do napájecího transformátoru. V alternativním obvodu jsou na vinutí napájecího transformátoru aplikovány také vysokofrekvenční oscilace s vysokou amplitudou, které se objevují přes kondenzátor. To může vyvolat koronové výboje mezi závity, které oslabují a nakonec zničí izolaci transformátoru. Zkušení stavitelé cívek Tesla téměř výhradně používají horní obvod a často jej rozšiřují o nízkoprůchodové filtry (odporové a kondenzátorové (RC) sítě) mezi napájecím transformátorem a jiskřištěm, aby pomohly chránit napájecí transformátor. To je zvláště důležité při použití transformátorů s křehkými vysokonapěťovými vinutími, jako jsou transformátory neonových značek (NST). Bez ohledu na to, jaká konfigurace se používá, musí být vysokonapěťový transformátor typu, který sám omezuje sekundární proud pomocí vnitřní svodové indukčnosti . Normální (nízký svodový indukčnost) vysokonapěťový transformátor musí k omezení proudu použít externí omezovač (někdy nazývaný předřadník). NST jsou navrženy tak, aby měly vysokou svodovou indukčnost k omezení jejich zkratového proudu na bezpečnou úroveň.

Ladění

Rezonanční frekvence primární cívky je naladěna na sekundární pomocí oscilací s nízkým výkonem, poté se zvyšuje výkon (a v případě potřeby se přelaďuje), dokud systém správně nepracuje na maximální výkon. Při ladění se k hornímu terminálu často přidává malá projekce (nazývaná „odlomená boule“), aby se stimulovaly výboje korony a jisker (někdy nazývané streamery) do okolního vzduchu. Ladění pak lze upravit tak, aby bylo dosaženo nejdelších streamerů na dané úrovni výkonu, což odpovídá frekvenční shodě mezi primární a sekundární cívkou. Kapacitní „zatížení“ streamery má tendenci snižovat rezonanční frekvenci Tesla cívky pracující na plný výkon. Toroidní topload je často upřednostňován před jinými tvary, například koulí. Toroid s hlavním průměrem, který je mnohem větší než sekundární průměr, poskytuje vylepšené tvarování elektrického pole v topload. To poskytuje lepší ochranu sekundárního vinutí (před poškozením streamerovými údery) než koule podobného průměru. A toroid umožňuje poměrně nezávislé ovládání kapacitní kapacity topload oproti napětí přerušení jiskry. Kapacitní odpor toroidu je hlavně funkcí jeho hlavního průměru, zatímco napětí při přerušení jiskry je hlavně funkcí jeho menšího průměru. Grid dip oscilátor (GDO) se někdy používá k usnadnění počátečního ladění a pomoci při návrhu. Rezonanční frekvenci sekundárního může být obtížné určit, s výjimkou použití GDO nebo jiné experimentální metody, zatímco fyzikální vlastnosti primární více reprezentují soustředěné aproximace konstrukce RF tanku. V tomto schématu je sekundár postaven poněkud libovolně v napodobování jiných úspěšných návrhů, nebo zcela se zásobami po ruce, je měřena jeho rezonanční frekvence a primární navržena tak, aby vyhovovala.

Vzduchové výboje

V provozu je malá Teslaho cívka pozdějšího typu: Výstup vytváří 43 centimetrů (17 palců) jisker. Průměr sekundárního prvku je 8 cm (3,1 palce). Zdrojem energie je proudově omezené napájení 10 000 V, 60 Hz

V cívkách, které produkují vzduchové výboje, jako jsou ty, které jsou konstruovány pro zábavu, se elektrická energie ze sekundárního a toroidu přenáší do okolního vzduchu jako elektrický náboj, teplo, světlo a zvuk. Tento proces je podobný nabíjení nebo vybíjení kondenzátoru , kromě toho, že Tesla cívka používá AC místo DC. Proud, který vzniká posunutím náboje v kondenzátoru, se nazývá výtlakový proud . Výboje Tesla cívky se vytvářejí v důsledku výtlakových proudů, protože impulsy elektrického náboje se rychle přenášejí mezi vysokonapěťovým toroidem a blízkými oblastmi ve vzduchu (nazývané oblasti vesmírného náboje ). Ačkoli oblasti vesmírného náboje kolem toroidu jsou neviditelné, hrají zásadní roli ve vzhledu a umístění výbojů Tesla cívky.

Když se zapálí jiskřiště, nabitý kondenzátor se vybije do primárního vinutí, což způsobí oscilaci primárního obvodu. Oscilační primární proud vytváří oscilační magnetické pole, které se spojuje se sekundárním vinutím, přenáší energii na sekundární stranu transformátoru a způsobuje jeho oscilaci s toroidní kapacitou vůči zemi. K přenosu energie dochází v několika cyklech, dokud se většina energie, která byla původně na primární straně, nepřenáší na sekundární stranu. Čím větší je magnetická vazba mezi vinutími, tím kratší je doba potřebná k dokončení přenosu energie. Jak se energie hromadí v oscilujícím sekundárním obvodu, amplituda vysokofrekvenčního napětí toroidu se rychle zvyšuje a vzduch obklopující toroid začíná podléhat dielektrickému rozpadu a vytváří koronový výboj.

Jak se energie (a výstupní napětí) sekundární cívky stále zvyšuje, větší impulzy výtlakového proudu dále ionizují a ohřívají vzduch v místě počátečního rozpadu. To tvoří velmi elektricky vodivý „kořen“ teplejší plazmy , nazývaný vůdce , který vyčnívá ven z toroidu. Plazma ve vedení je podstatně teplejší než koronový výboj a je podstatně vodivější. Ve skutečnosti jsou jeho vlastnosti podobné elektrickému oblouku . Vůdce se zužuje a větví se na tisíce tenčích, chladnějších, vlasových výbojů (nazývaných stuhy). Stuhy vypadají jako namodralý 'opar' na koncích zářivějších vůdců. Stuhy přenášejí náboj mezi vůdci a toroidy do blízkých oblastí vesmírných nábojů. Vytlačovací proudy z bezpočtu streamerů se přivádějí do vedoucího, což pomáhá udržovat jej horké a elektricky vodivé.

Primární míra lomu jiskřících Tesla cívek je pomalá ve srovnání s rezonanční frekvencí sestavy rezonátor-topload. Když se spínač sepne, energie se přenese z primárního LC obvodu do rezonátoru, kde napětí po krátkou dobu zazvoní a vyvrcholí elektrickým výbojem. V Tesla spirále s jiskřištěm probíhá proces přenosu energie z primární na sekundární energii opakovaně při typických pulzních frekvencích 50–500krát za sekundu, v závislosti na frekvenci vstupního síťového napětí. Při těchto rychlostech dříve vytvořené vedoucí kanály nedostanou šanci zcela vychladnout mezi pulzy. Na postupných pulsech tedy mohou novější výboje stavět na horkých drahách, které zanechali jejich předchůdci. To způsobí přírůstkový růst vedoucí z jednoho pulsu do druhého, čímž se prodlouží celý výboj v každém následujícím pulzu. Opakované pulzování způsobuje, že výboje rostou, dokud průměrná energie dostupná z Tesla cívky během každého impulsu nevyváží průměrnou energii ztracenou ve výbojích (většinou jako teplo). V tomto okamžiku je dosaženo dynamické rovnováhy a výboje dosáhly své maximální délky pro úroveň výstupního výkonu Tesla cívky. Unikátní kombinace rostoucí vysokonapěťové vysokofrekvenční obálky a opakujícího se pulzování se zdá být ideálně vhodná pro vytváření dlouhých, rozvětvujících se výbojů, které jsou podstatně delší, než by se jinak očekávalo samotnými úvahami o výstupním napětí. Vysokonapěťové a nízkoenergetické výboje vytvářejí vláknité vícerozvětvené výboje, které mají purpurově modrou barvu. Vysokonapěťové a vysokoenergetické výboje vytvářejí silnější výboje s menším počtem větví, jsou bledé a světelné, téměř bílé a díky zvýšené ionizaci jsou mnohem delší než nízkoenergetické výboje. V této oblasti se bude vyskytovat silný zápach ozónu a oxidů dusíku. Zdá se, že důležitými faktory pro maximální délku výboje jsou napětí, energie a klidný vzduch s nízkou až střední vlhkostí. Existuje poměrně málo vědeckých studií o zahájení a růstu pulzních nízkofrekvenčních výbojů, takže některé aspekty vzduchových výbojů Tesla cívky nejsou tak dobře pochopeny ve srovnání s stejnosměrnými, silově frekvenčními střídavými, vysokonapěťovými impulzy a bleskovými výboji.

Aplikace

Ačkoli se dnes malé Tesla cívky používají jako detektory úniku ve vědeckých systémech vysokého vakua a zapalovače v obloukových svářečkách , jejich hlavním využitím jsou zábavní a vzdělávací displeje.

Vzdělávání a zábava

Electrum sochařství, největší Tesla cívka na světě. Stavitel Eric Orr je viditelný sedět uvnitř duté sférické vysokonapěťové elektrody

Cívky Tesla jsou zobrazeny jako atrakce ve vědeckých muzeích a na veletrzích elektroniky a slouží k demonstraci principů vysokofrekvenční elektřiny v hodinách přírodovědných předmětů ve školách a na vysokých školách.

Vzhledem k tomu, že jsou dostatečně jednoduché na to, aby je vyrobil amatér, jsou Tesla cívky populárním projektem studentských vědeckých veletrhů a jsou vyráběny velkou celosvětovou komunitou fandů. Stavitelům Tesla cívek jako koníčku se říká „navijáky“. Navštěvují sjezdy „navíjení“, kde vystavují své podomácku vyrobené cívky Tesla a další vysokonapěťová zařízení. Cívky Tesla s nízkým výkonem se také někdy používají jako zdroj vysokého napětí pro Kirlianovu fotografii .

Současná největší Tesla cívka na světě je 130 000 wattová jednotka postavená Gregem Leyhem a Ericem Orrem , součást 38 stop vysoké (12 m) sochy s názvem Electrum, kterou vlastní Alan Gibbs a v současné době sídlí v soukromém sochařském parku v Kakanui Point v blízkosti Auckland , Nový Zéland . Velmi velká cívka Tesla, kterou navrhl a postavil Syd Klinge, se každoročně promítá na Coachella Valley Music and Arts Festival v Coachella, Indio, Kalifornie, USA.

Cívky Tesla lze také použít ke generování zvuků, včetně hudby, modulací efektivní "přestávky" (tj. Rychlosti a trvání vysokofrekvenčních impulzů) systému prostřednictvím MIDI dat a řídicí jednotky. Skutečná MIDI data jsou interpretována mikrokontrolérem, který převádí MIDI data na PWM výstup, který lze odeslat do Tesla cívky přes rozhraní optických vláken. Rozsáhlý venkovní hudební koncert ukázal použití Tesla cívek během Engineering Open House (EOH) na University of Illinois v Urbana – Champaign . Islandská umělkyně Björk použila jako hlavní nástroj v písni „Thunderbolt“ Teslovu cívku. Hudební skupina ArcAttack používá k přehrávání hudby modulované Tesla cívky a muže v řetězovém obleku.

Detektory netěsností vakuového systému

Vědci pracující se systémy vysokého vakua testují přítomnost malých otvorů pro kolíky v zařízení (zejména nově foukaný kus skla) pomocí vysokonapěťových výbojů produkovaných malou ruční Tesla cívkou. Když je systém evakuován, vysokonapěťová elektroda cívky se přehraje na vnější straně zařízení. Při nízkých tlacích je vzduch snadněji ionizován, a proto vede elektřinu lépe než vzduch atmosférický. Proto výboj putuje jakýmkoli kolíkovým otvorem bezprostředně pod ním a vytváří koronový výboj uvnitř evakuovaného prostoru, který osvětluje otvor, což ukazuje na body, které je třeba před použitím v experimentu vyžíhat nebo znovu vyfouknout.

Teslaphoresis

V roce 2016 vědci z Rice University využili pole Teslovy cívky k dálkovému zarovnání drobných uhlíkových nanotrubic do obvodu, což je proces, kterému říkali „teslaforéza“.

Zdravotní problémy

Vysoké napětí radiofrekvenční (RF) vypouštění z výstupního terminálu Tesla role představují jedinečnou nebezpečí nevyskytuje v jiných vysokonapěťových zařízení: když prochází tělem často nezpůsobují bolestivým pocitem a svalové kontrakce elektrickým proudem , as nižší frekvence střídavých nebo stejnosměrných proudů ano. Nervový systém je necitlivý na proudy s frekvencemi nad 10 - 20 kHz. Předpokládá se, že důvodem je to, že určitý minimální počet iontů musí být poháněn napříč membránou nervové buňky uloženým napětím, aby se nervová buňka spustila k depolarizaci a přenosu impulsu. Na rádiových frekvencích není během půl cyklu dostatek času na to, aby ionty překročily membránu, než se střídá střídavé napětí. Nebezpečí je v tom, že jelikož není cítit bolest, experimentátoři často předpokládají, že proudy jsou neškodné. Učitelé a fandové předvádějící malé Tesla cívky často zapůsobí na své publikum tím, že se dotknou vysokonapěťového terminálu nebo nechají oblouky streameru projít jejich tělem.

Pokud oblouky z vysokonapěťového terminálu zasáhnou holou kůži, mohou způsobit hluboko uložené popáleniny nazývané RF popáleniny . Tomu se často vyhýbá tím, že místo toho necháte oblouky zasáhnout kus kovu drženého v ruce nebo náprstek na prstu. Proud prochází z kovu do ruky osoby dostatečně širokou povrchovou plochou, aby nedošlo k popálení. Často není cítit žádný pocit, nebo jen teplo nebo brnění.

To však neznamená, že je proud neškodný. Dokonce i malá Tesla cívka produkuje mnohokrát elektrickou energii nezbytnou k zastavení srdce, pokud je frekvence dostatečně nízká, aby způsobila komorovou fibrilaci . Drobné nesprávné seřízení cívky by mohlo vést k úrazu elektrickým proudem . RF proud navíc ohřívá tkáně, kterými prochází. Pečlivě kontrolované proudy Tesla cívky, aplikované přímo na kůži elektrodami, byly použity na počátku 20. století k hlubokému ohřevu tělesné tkáně v lékařské oblasti dlouhovlnné diatermie . Množství ohřevu závisí na proudové hustotě, která závisí na výkonu Tesla cívky a na průřezu dráhy, kterou proud prochází tělem k zemi. Zvláště pokud prochází úzkými strukturami, jako jsou cévy nebo klouby, může zvýšit místní teplotu tkáně na hypertermické úrovně, „uvařit“ vnitřní orgány nebo způsobit jiná zranění. Mezinárodní bezpečnostní standardy ICNIRP pro vysokofrekvenční proud v těle ve frekvenčním rozsahu Tesla cívky 0,1 - 1 MHz určují maximální proudovou hustotu 0,2 mA na centimetr čtvereční a maximální rychlost absorpce energie (SAR) v tkáni 4 W/kg v končetinách a 0,8 W/kg v průměru na tělo. I Tesla cívky s nízkým výkonem by mohly překročit tyto limity a je obecně nemožné určit prahový proud, kde začíná tělesné zranění. Zasažení oblouky z vysokého výkonu (> 1000 wattů) bude Tesla cívka pravděpodobně smrtelná.

Dalším hlášeným nebezpečím této praxe je, že oblouky z terminálu vysokého napětí často zasáhnou primární vinutí cívky. To na okamžik vytvoří vodivou cestu pro smrtící primární proud 50/60 Hz z napájecího transformátoru k dosažení výstupního terminálu. Pokud je osoba v té době připojena k výstupnímu terminálu, a to buď dotykem, nebo umožněním oblouků z terminálu zasáhnout tělo člověka, pak by vysoký primární proud mohl procházet vodivou ionizovanou vzduchovou cestou, tělem k zemi, což by způsobilo úraz elektrickým proudem.

Mýtus o efektu kůže

Chybné vysvětlení absence elektrického šoku, který přetrvává mezi fandy Teslovy cívky, je, že vysokofrekvenční proudy procházejí tělem blízko povrchu, a proto nepronikají do životně důležitých orgánů nebo nervů v důsledku elektromagnetického jevu nazývaného efekt kůže .

Tato teorie je mylná. RF proud má tendenci proudit na povrchu vodičů v důsledku efektu kůže, ale hloubka, do které proniká, nazývaná hloubka kůže , závisí na odporu a propustnosti materiálu a také na frekvenci . Přestože efekt kůže omezuje proudy frekvencí Tesla cívek na vnější zlomek milimetru v kovových vodičích, hloubka kůže proudu v tělesné tkáni je díky vyšší rezistivitě mnohem hlubší. Hloubka pronikání proudů Tesla frekvence (0,1 - 1 MHz) v lidských tkáních je zhruba 24 až 72 cm (9 až 28 palců). Protože i ty nejhlubší tkáně jsou blíže než toto k povrchu, účinek kůže má malý vliv na dráhu proudu tělem; inklinuje k dráze minimální elektrické impedance k zemi a může snadno procházet jádrem těla. V lékařské terapii zvané dlouhovlnná diatermie byl pečlivě kontrolovaný vysokofrekvenční proud Tesla frekvencí používán po celá desetiletí k hlubokému ohřevu tkáně, včetně zahřívání vnitřních orgánů, jako jsou plíce. Moderní krátkovlnné diatermické stroje používají vyšší frekvenci 27 MHz, která by měla odpovídajícím způsobem menší hloubku kůže, přesto jsou tyto frekvence stále schopny proniknout do hlubokých tělesných tkání.

Související patenty

Patenty Tesly

• „ Elektrický transformátor nebo indukční zařízení “. US patent č. 433 702, 5. srpna 1890
• „ Prostředky pro generování elektrických proudů “, US patent č. 514,168, 6. února 1894
• „ Elektrický transformátor “, patent č. 593 138, 2. listopadu 1897
• „ Metoda využití zářivé energie “, patent č. 685,958, 5. listopadu 1901
• " Způsob signalizace ", US patent č. 723,188, 17. března 1903
• „ Systém signalizace “, americký patent č. 725 605, 14. dubna 1903
• „ Přístroj pro přenos elektrické energie “ , 18. ledna 1902, americký patent 1 119 732, 1. prosince 1914 (k dispozici v americkém patentu 1 119 732

Patenty ostatních

• JS Stone, americký patent 714 832 , „ Zařízení pro zesílení elektromagnetických vln signálu “. (Založeno 23. ledna 1901; Vydáno 2. prosince 1902)
• A. Nickle, americký patent 2 125 804 , „ anténa “. (Založeno 25. května 1934; Vydáno 2. srpna 1938)
• William W. Brown, americký patent 2 059 186 , „ Struktura antény “. (Založeno 25. května 1934; Vydáno 27. října 1936).
• Robert B. Dome, americký patent 2 101 674 , „ anténa “. (Založeno 25. května 1934; Vydáno 7. prosince 1937)
• Armstrong, EH, US Patent 1 113 149 , „ Bezdrátový přijímací systém “. 1914.
• Armstrong, EH, US patent 1 342 885 , „ Způsob přijímání vysokofrekvenční oscilace “. 1922.
• Armstrong, EH, americký patent 1 424 065 , „ signalizační systém “. 1922.
• Gerhard Freiherr Du Prel, americký patent 1 675 882 , „ vysokofrekvenční obvod “. (Založeno 11. srpna 1925; Vydáno 3. července 1928)
• Leydorf, GF, US patent 3 278 937 , „ Anténní blízký polní spojovací systém “. 1966.
• Van Voorhies, americký patent 6 218 998 , „ Toroidální šroubovicová anténa “
• Gene Koonce, US patent 6933819 , „ vícefrekvenční generátor elektromagnetického pole “. (Podáno 29. října 2004; Vydáno 23. srpna 2005)

Viz také

• Faradayova klec
• Henry Leroy Transtrom , vynálezce a showman, který pracoval s elektřinou vysokého napětí.
• Seznam patentů společnosti Tesla
• Oudinova cívka  - rezonanční transformátorový obvod, vynalezený v roce 1893 Paulem Marie Oudinem
• Van de Graaffův generátor
• Bezdrátový přenos energie

Reference

Další čtení

Provoz a další informace

• Armagnat, H., & Kenyon, OA (1908). Teorie, návrh a konstrukce indukčních cívek . New York: McGraw.
• Haller, GF, & Cunningham, ET (1910). Vysokofrekvenční cívka Tesla, její konstrukce a použití . New York: D. Van Nostrand Co.
• Iannini, RE (2003). Elektronické pomůcky pro zlého génia: 21 projektů sestavení vlastními silami . Elektronika TAB. New York: McGraw-Hill. Stránky 137–202.
• Corum, Kenneth L. a James F. „ Tesla coils and the Failure of Lumps-Element Circuit Theory “
• Nicholson, Paul, „ Tesla Secondary Simulation Project “ (Současný stav techniky v důsledném popisu sekundárního chování Tesla cívky prostřednictvím teoretické analýzy, simulace a testování výsledků v praxi)
• Vujovic, Ljubo, „ Tesla Coil “. Tesla Memorial Society of New York.
• Hickman, Bert, „ Informační centrum Tesla Coil “
• Cooper, Johne. F., „ Schéma zapojení časného typu zvětšovacího vysílače ; Schéma zapojení pozdějšího typu “. Tesla-Coil.com

Elektrický svět

• „ Vývoj vysokofrekvenčních proudů pro praktické aplikace “., The Electric World, sv. 32, č. 8.
• „ Boundless Space: A Bus Bar “. Elektrický svět, díl 32, č. 19.

Další publikace

• Cullen, AL; Dobson, J. (1963). „Corona Rozdělení antén ve vzduchu při nízkých tlacích“. Proceedings of the Royal Society of London. Řada A, matematické a fyzikální vědy . 271 (1347): 551–564. Bibcode : 1963RSPSA.271..551C . doi : 10,1098/rspa.1963.0035 . S2CID  109593995 .
• Bieniosek, FM (1990). „ Obvod pulzního transformátoru s trojitou rezonancí “. Recenze vědeckých přístrojů . 61 (6): 1717–1719. Bibcode : 1990RScI ... 61.1717B . doi : 10,1063/1,1141138 .
• Corum, JF a KL Corum, „ RF cívky, spirálové rezonátory a zvětšení napětí koherentními prostorovými režimy “. IEEE, 2001.
• de Queiroz, Antonio Carlos M., „ Syntéza více rezonančních sítí “. Federal Universidade do Rio de Janeiro, Brazílie. EE/COPE.
• Haller, George Francis a Elmer Tiling Cunningham: „ Tesla vysokofrekvenční cívka, její konstrukce a použití “. New York, D. Van Nostrand společnost, 1910.
• Hartley, RVL (1936). „Oscilace s nelineárními reakcemi“. Technický časopis Bell System . 15 (3): 424–440. doi : 10,1002/j.1538-7305.1936.tb03559.x .
• Norrie, HS, „ Indukční cívky: Jak je vyrábět, používat a opravovat “. Norman H. Schneider, 1907, New York. 4. vydání.
• Reed, JL (1988). „Vyšší zisk napětí pro Tesla transformátory“. Recenze vědeckých přístrojů . 59 (10): 2300. Bibcode : 1988RScI ... 59.2300R . doi : 10,1063/1,1139953 .
• Reed, JL (2012). „Tlumení transformátoru Tesla“. Recenze vědeckých přístrojů . 83 (7): 076101–076101–3. Bibcode : 2012RScI ... 83g6101R . doi : 10,1063/1,4732811 . PMID  22852736 .
• Reed, JL (2015). „Vedení-spojený Tesla transformátor“. Recenze vědeckých přístrojů . 86 (3): 035113. Bibcode : 2015RScI ... 86c5113R . doi : 10,1063/1,4915940 . PMID  25832281 .
• Reed, JL, „Ladění pulzního transformátoru Tesla s trojitou rezonancí“, Dokumenty Google, https://drive.google.com/file/d/0B7PZG_uOiTWwUHVTX05DR2NpeDQ/view?usp=sharing
• Curtis, Thomas Stanley, vysokofrekvenční zařízení: jeho konstrukce a praktické využití . Everyday Mechanics Co., 1916.
• řada akademických publikací IEEE [1]

externí odkazy

• Tesla cívka v Curlie